(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマをイオン源として用いる質量分析装置であって、イオン偏向レンズを備える質量分析装置において、
前記イオン偏向レンズが、
１つのアパーチャを有する入射側プレート状電極と、
１つのアパーチャを有する出射側プレート状電極と、
前記入射側プレート状電極と前記出射側プレート状電極との間に配置される少なくとも１つの筒状電極とを具備し、
前記入射側プレート状電極および前記出射側プレート状電極が、それぞれの前記アパーチャの軸がずれるように、互いに対向し、
前記筒状電極が、完全な筒から前記筒の入射側端の少なくとも一部を含む部分を取り除いた非軸対称形状を成し、前記筒状電極の中心軸が前記出射側プレート状電極後のイオンの進行軸よりも前記入射側プレート状電極前のイオンの進行軸に近いように配置される、
ことを特徴とする質量分析装置。
【請求項２】
前記筒状電極が、前記出射側プレート状電極後のイオンの進行軸が前記入射側プレート状電極前のイオンの進行軸と実質的に平行となるような電位および形状を成す、
ことを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
【請求項３】
前記筒状電極が、完全な筒から前記筒の入射側端の少なくとも一部を含む部分のみを取り除いた形状を成す、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の質量分析装置。
【請求項４】
前記筒状電極が、完全な筒から、前記完全筒の中心軸を含む仮想平面と前記中心軸に垂直な仮想平面とで前記完全筒を４等分したうちの入射側の１つを取り除いた形状を成すことを特徴とする請求項３に記載の質量分析装置。
【請求項５】
前記筒状電極が、円筒形状を成すことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の質量分析装置。
【請求項６】
前記イオン偏向レンズが、質量分離部よりも前に配置され、且つ、負電位となる他のイオン光学系よりも後に配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の質量分析装置。
【請求項７】
前記イオン偏向レンズが、前記質量分離部の直前に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の質量分析装置。
【請求項８】
前記プラズマが、高周波誘導結合プラズマであることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマをイオン源として用いる質量分析装置に係り、特にイオン偏向レンズを備える質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導結合プラズマ質量分析装置（ＩＣＰ−ＭＳ）やマイクロ波プラズマ質量分析装置（ＭＩＰ−ＭＳ）など、プラズマをイオン源として用いる質量分析装置において、バックグラウンドノイズの原因である光子および高エネルギーの中性粒子を、イオンビームと分離することが必要とされている（例えば、特許文献１〜７を参照。）。
【０００３】
従来、バックグラウンドノイズの原因である光子および中性粒子は、傾斜もしくは屈曲したイオンガイドにより、イオンビームと分離される（例えば、特許文献１を参照。）。以下、傾斜もしくは屈曲したイオンガイドを総じて非線形イオンガイドと称する。また、光子および中性粒子は、筒形のイオン偏向レンズにより、イオンビームと分離される。なお、筒形のイオン偏向レンズには点対称の形状を成すもの（例えば、特許文献２を参照。）や、イオン偏向レンズ前後のイオン飛行方向間に角度を与えるべく非点対称形状を成すもの（例えば、特許文献３を参照。）がある。ここで、非点対称形状は、点対称ではない形状である。また、光子および中性粒子は、イオンミラーにより、イオンビームと分離される（例えば、特許文献４、６を参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−９７８３８号公報（図１０）
【特許文献２】特開２００４−７１４７０号公報（図１）
【特許文献３】特開平８−７８２９号公報（段落０００９）
【特許文献４】特表２００２−５２５８２１号公報（図１）
【特許文献５】特開昭６１−１０７６５０号公報（図１、図２）
【特許文献６】特開２０００−６７８０５号公報（図１）
【特許文献７】特開２０００−１００３７５号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光子および中性粒子の分離に非線形イオンガイドを用いる場合、非線形イオンガイドでイオンビームを急峻に偏向することができない。従って、非線形イオンガイドの前に配置されるアパーチャと同イオンガイドの後に配置されるアパーチャとの間隔が狭い場合、イオンビームの偏移量が小さくなるため、非線形イオンガイドにおける光子や中性粒子の遮断が十分ではなかった。また、傾斜したイオンガイドの入口部分および出口部分、ならびに屈曲したイオンガイドの屈曲部分において、イオンの透過率が低下していた。
【０００６】
また、光子および中性粒子の分離にイオン偏向レンズを用いる場合、イオンビームの偏移量を小さくすると、イオン偏向レンズの径も小さくする必要がある。その結果、偏向されたイオンビームの収差が大きくなり、イオンの透過率が下がる。また、前後のイオン飛行方向間に角度を与えるイオン偏向レンズは、前後のイオン光学系の製造上の困難さを増す要因となり、また、質量分析装置のサイズを大きくする要因ともなる。
【０００７】
また、光子および中性粒子の分離にイオンミラーを用いる場合、イオンビームの偏向機構が複雑で大型である。また、イオンビームの透過率を実用的な値にするために、複数の電極電圧の調整を要する。
【０００８】
そこで本発明は、イオン透過率を維持しつつ、光子および中性粒子の除去率が従来に比べて向上したイオン偏向レンズを備えるプラズマイオン源質量分析装置の提供を課題とする。その際、イオン偏向レンズおよび質量分析装置の小型化も併せて考慮する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題は、プラズマをイオン源として用いる質量分析装置であって、イオン偏向レンズを備える質量分析装置において、イオン偏向レンズが、１つのアパーチャを有する入射側プレート状電極と、１つのアパーチャを有する出射側プレート状電極と、入射側プレート状電極と出射側プレート状電極との間に配置される少なくとも１つの筒状電極とを具備し、入射側プレート状電極および出射側プレート状電極が各前記アパーチャの軸がずれるように互いに対向し、筒状電極が、非点対称形状を成し、筒状電極の中心軸が出射側プレート状電極後のイオンの進行軸よりも入射側プレート状電極前のイオンの進行軸に近いように配置されることにより解決される。なお、筒状電極は、出射側プレート状電極後のイオンの進行軸が入射側プレート状電極前のイオンの進行軸と実質的に平行となるような電位および形状を有することができる。また、筒状電極は、完全な筒から、前記筒の入射側端の少なくとも一部を含む部分を取り除いた形状とすることができる。さらには、筒状電極は、完全な筒から、前記筒の入射側端の少なくとも一部を含む部分のみを取り除いた形状とすることができる。非点対称な筒状電極の好ましい形状として、完全な筒から、前記完全筒の中心軸を含む仮想平面と前記中心軸に垂直な仮想平面とで前記完全筒を４等分したうちの入射側の１つを取り除いた形状を挙げることができる。なお、完全な筒とは、筒の中心軸方向のいずれの位置においても、その中心軸に垂直な平面で切断したときの断面形状が同じになる筒である。
【００１０】
筒状電極は、単一のものであっても、複数の筒状部材から構成されるものであってもよい。筒状電極を複数の筒状部材から構成する場合には、筒状部材を、その軸に垂直な面によって分割して形成することができる。さらに、筒状電極の軸に垂直な断面は、円、楕円、矩形、または、その他の線対称形状とすることができる。断面が円である円筒状電極は、製造の容易さの観点から好ましい。
【００１１】
イオン源としては、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）やマイクロ波誘導プラズマ（ＭＩＰ）など周知のイオン源を挙げることができるが、特に、大気圧下で生成される高周波誘導結合プラズマを好ましいものとして挙げることができる。
【００１２】
イオン偏向レンズは、質量分離部よりも前に配置され、且つ、負電位となる他のイオン光学系よりも後に配置することができる。あるいは、イオン偏向レンズは、質量分離部の直前に配置することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、イオン偏向レンズの筒状電極が、非点対称形状を成し、且つ、筒状電極の中心軸が出射側プレート状電極後のイオンの進行軸よりも入射側プレート状電極前のイオンの進行軸に近いように配置されるので、イオン偏向レンズにおけるイオン透過率が従来と同等またはそれ以上でありながら、イオン偏向レンズにおける光子および中性粒子の除去率が従来よりも高くなる。
【００１４】
また、本発明によれば、イオン偏向レンズが、質量分離部よりも前に配置され且つ負電位となる他のイオン光学系よりも後に、または、質量分離部の直前に配置されるので、従来に比べて、質量分析装置の信号感度が高まり、当該他のイオン光学系の電圧調整がし易くなる。なぜなら、イオン偏向レンズの前に位置するイオン光学系において、中性粒子の生成を抑える必要が無くなり、当該イオン光学系の印加電圧に関する制約が無くなるからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を添付の図面に示す好適実施形態に基づいて説明する。ここで、図１乃至図４を参照する。図１は、本発明の第一の実施形態である誘導結合プラズマ質量分析装置１０の一部の概略構成を示す図である。以下、誘導結合プラズマ質量分析装置を、単に質量分析装置と称する。図１において質量分析装置１０の構成が断面図で示されているが、質量分析装置１０は、実際には、軸線方向に延びる略管状を成す立体的な構成を備えるものである。図２は、本第一の実施形態の特徴的部分であるイオン偏向レンズ１００を示す斜視図である。図２において、左図（ａ）はイオン偏向レンズ１００の全体を示す図であり、右図（ｂ）はイオン偏向レンズ１００の一部を示す図である。図３は、図２（ａ）におけるＡＡ’断面図である。図４は、図３で示されるイオン偏向レンズ１００における電位分布および同イオン偏向レンズ１００を通過するイオンの軌道を、シミュレーションした結果を示す図である。
【００１６】
まず、質量分析装置１０の全体について説明する。質量分析装置１０は、プラズマトーチ２０と、インターフェース部４０と、引出電極部６０と、セル８０と、イオン偏向レンズ１００、質量分離部９１と、検出器９２とを備える。
【００１７】
プラズマトーチ２０は、先端近傍に高周波電磁場を発生するためのコイル２１を具備し、大気圧下に置かれている。コイル２１は、図示しないＲＦ電源に接続されている。プラズマトーチ２０内では、コイル２１によって生じる高周波電磁場により、大気圧下において高周波誘導結合プラズマ３０が発生する。プラズマトーチ２０内において、霧化された図示しない試料が、プラズマトーチ２０の前方よりプラズマ３０中に導入される。導入された図示しない試料は、プラズマ３０の作用により、蒸発、分解し、大多数の元素の場合、最終的にイオンへと変換される。イオン化された図示しない試料は、プラズマ３０に含まれる。また、プラズマトーチ２０の内部では後端から先端に向けてガス流が生じているので、プラズマ３０はサンプリングコーン４１に向かって伸びる。
【００１８】
インターフェース部４０は、サンプリングコーン４１と、スキマーコーン４３とを具備する。プラズマ３０に直接面するサンプリングコーン４１のアパーチャ４２を通過した一部のプラズマ３０は、サンプリングコーン４１の後に配置されたスキマーコーン４３に達する。その後、プラズマ３０の一部は、スキマーコーン４３のアパーチャ４４を通過し、スキマーコーン４３の背後に至る。真空槽５１は、油回転ポンプＲＰにより排気される。従って、スキマーコーン４３を通過しない気体分子（中和されたイオンを含む）は、排気口５４を通じて真空槽５１から排気される。
【００１９】
引出電極部６０には負電位が与えられるので、引出電極部６０のアパーチャ６１の近傍において、アパーチャ４４を通過したプラズマ３０から正イオンのみがイオンビームの形で取り出される。引出電極部６０は、図中では１つの電極で構成されているが、これに限定されない。引出電極部６０は、例えば、特開２００１−１８５０７３号公報で示されるように、２以上の電極で構成されても良い。
【００２０】
引出電極部６０において取り出されたイオンビーム２００は、隔壁７１に設けられたゲートバルブ７２を介して、セル８０内に導かれる。ゲートバルブ７２は、質量分析装置１０の動作を停止した場合に、高真空部の気密性を保持するために設けられている。セル８０は、多重極電極８１を具備する。セル８０に導かれたイオンビーム２００は、多重極電極８１により生成される電界によって決められる軌道に沿って後方に案内される。多重極電極８１は、例えば、八重極構造とされる。また、セル８０内には、導入口８２から衝突／反応ガスが導入される。導入されるガスの分子は、イオンビーム２００に含まれる種々のイオンと衝突又は電荷移動を伴う反応を生じ、イオンビーム２００から、キャリアガスまたはプラズマガスとされるアルゴン原子を含む多原子の干渉イオンを分解して脱離させるよう作用する。セル８０から取り出されたイオンビーム２００は、イオン偏向レンズ１００および隔壁７４のアパーチャ７５を介して、質量分離部９１内に導入される。なお、イオン偏向レンズ１００は、絶縁体７３を介して隔壁７４に取り付けられている。本発明の構成上の特徴は、イオン偏向レンズ１００にあり、その詳細については後述する。真空槽５２は、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ１）により排気される。従って、プラズマ３０に含まれていた分子イオンであって引出電極部６０などで中和されたもの、および、セル８０内に導入された衝突・反応ガスの分子は、排気口５５を通じて真空槽５２から排気される。なお、真空槽５２は、真空槽５１よりも高真空である。
【００２１】
質量分離部９１は、プレフィルタ付き多重極電極（不図示）で構成される。なお、質量分離部９１のプレフィルタ（不図示）および多重極電極（不図示）は、典型的には四重極構造とされる。質量分離部９１に導かれたイオンビーム２００中のイオンは、質量分離部９１において、質量と電荷との比（ｍ／ｚ値）に基づいて分離され、検出器９２に導かれる。検出器９２は、導かれたイオンを検出し、その検出結果に応じた電気信号を出力する。真空槽５３は、排気口５６を通じてターボ分子ポンプ（ＴＭＰ２）により排気される。なお、真空槽５３は、真空槽５２よりも高真空である。
【００２２】
次に、イオン偏向レンズ１００について詳細に説明する。イオン偏向レンズ１００は、一対のプレート状電極１１０および１３０と、プレート状電極１１０とプレート状電極１３０との間に配置された１つの筒状電極１２０から構成される。入射側のプレート状電極１１０には、アパーチャ１４０が設けられている。アパーチャ１４０は、直径２ミリメートルの円形を成す。アパーチャ１４０の軸１６０は、アパーチャ１４０の中心を通り且つプレート状電極１１０の面に垂直である。また、軸１６０は、プレート状電極１１０前のイオン光学系の光軸、すなわち、プレート状電極１１０前のイオンの進行軸と同じである。出射側のプレート状電極１３０には、アパーチャ１５０が設けられている。アパーチャ１５０は、短軸１．５ミリメートルで長軸２．４ミリメートルの略楕円形を成す。長軸の方向は、図１における縦方向と同じである。アパーチャ１５０の軸１７０は、アパーチャ１５０の中心を通り且つプレート状電極１３０の面に垂直である。また、軸１７０は、プレート状電極１３０後のイオン光学系の光軸、すなわち、プレート状電極１３０後のイオンの進行軸と同じである。プレート状電極１３０は、プレート状電極１１０と平行になるように、且つ、軸１６０と軸１７０とがずれるように、配置されている。プレート状電極１３０は、プレート状電極１１０と向かい合っている。軸１６０と中心軸１８０との距離は０．６ミリメートルであり、中心軸１８０と軸１７０との距離は１．９ミリメートルである。また、軸１６０と軸１７０との距離は２．５ミリメートルである。つまり、筒状電極１２０の中心軸１８０、軸１６０、および、軸１７０は、同一の仮想平面内に含まれる。筒状電極１２０は、完全な円筒から、該完全円筒の中心軸を含む仮想平面と前記中心軸に垂直な仮想平面とで該完全円筒を４等分したうちの入射側の１つを取り除いた形状を成す。筒状電極１２０の内径は８ミリメートルであり、筒状電極１２０の全長は５ミリメートルである。従って、切削部分は、全長２．５ミリメートル且つ直径８ミリメートルの半円筒に相当する。プレート状電極１１０およびプレート状電極１３０には、−３０ボルトの直流電圧が印加されている。筒状電極１２０には、プレート状電極１１０およびプレート状電極１３０に印加される電圧よりも高い、＋１５ボルトの直流電圧が印加されている。
【００２３】
さて、イオン偏向レンズ１００内に導かれたイオンは、イオン偏向レンズ１００内に生じる電界の作用により、その進路が曲げられ、アパーチャ１５０を通過する。このとき、プレート状電極１３０後のイオンの進行軸は、プレート状電極１１０前のイオンの進行軸と実質的に平行である。すなわち、プレート状電極１３０後のイオンは、プレート状電極１３０後のイオン光学系であって、プレート状電極１１０前のイオンの進行軸（本実施形態の場合、多重極電極８１の光軸方向）と平行な光軸を有するイオン光学系（本実施形態の場合、質量分離部９１）内に進入し得る方向に進行する。アパーチャ１５０を通過したイオンは、質量分離部９１により分別され、検出器９２により検出される。一方、イオンと一緒にイオン偏向レンズ１００内に導かれた高エネルギーの中性粒子や光子は、その進路が変わることなく、図中の実線３００で示すように直進し、プレート状電極１３０に衝突し止められる。
【００２４】
これにより、光子および中性粒子が質量分離部９１および検出器９２に進入することを防ぐことができ、光子および中性粒子に起因するバックグラウンドノイズを無くすことができる。その一方で、図４を見て明らかなように、イオン偏向レンズ１００に入射したイオンの大半がイオン偏向レンズ１００から出射しており、イオン透過率は、従来と同等またはそれ以上に高く保たれている。
【００２５】
さて、第一の実施形態の質量分析装置１０は、以下のように変形することができる。例えば、第一の実施形態において、軸１６０は、中心軸１８０から離れているが、軸１６０を中心軸１８０と同じにすることもできる。また、第一の実施形態において、筒状電極１２０の断面は円であるが、その断面を楕円、矩形、もしくは、その他の線対称形状とすることもできる。その場合には、断面形状、駆動電圧により、断面に垂直に通っている２つの軸方向に対するイオンビーム収束特性を適宜変化させることができる。さらに、第一の実施形態において、プレート状電極１１０に印加される電圧とプレート状電極１３０に印加される電圧は同じであるが、それらを異ならせることもできる。たとえば、プレート状電極１１０には−３０ボルトの直流電圧が印加され、プレート状電極１３０には−５０ボルトの直流電圧が印加され、筒状電極１２０に＋１０ボルトの直流電圧が印加されても良い。
【００２６】
またさらに、第一の実施形態において、筒状電極１２０は、完全な円筒から、該完全円筒の中心軸を含む仮想平面と前記中心軸に垂直な仮想平面とで該完全円筒を４等分したうちの入射側の１つを取り除いた形状を成しているが、その形状に限定される訳でない。例えば、イオン偏向レンズ１００は、図５に示すイオン偏向レンズ４００と置き換えることができる。イオン偏向レンズ４００は、プレート状電極１１０と同じ形状を成す入射側のプレート状電極４１０と、プレート状電極１３０と同じ形状を成す出射側のプレート状電極４３０と、プレート状電極４１０とプレート状電極４３０との間に配置された筒状電極４２０から構成される。プレート状電極４１０および４３０は、それぞれのアパーチャの軸が互いにずれるように、且つ、互いに平行となるように向かい合っている。筒状電極４２０は、中心軸４８０に対して傾斜した仮想平面で入射側端が切削された筒形状を成す。筒状電極４２０は、中心軸４８０に対して傾斜した仮想平面で、さらに出射側端が切削された筒形状を成しても良い。
【００２７】
また、例えば、イオン偏向レンズ１００は、図６に示すイオン偏向レンズ５００と置き換えることができる。イオン偏向レンズ５００は、プレート状電極１１０と同じ形状を成す入射側のプレート状電極５１０と、プレート状電極１３０と同じ形状を成す出射側のプレート状電極５３０と、プレート状電極５１０とプレート状電極５３０との間に配置された筒状電極５２０から構成される。プレート状電極５１０および５３０は、それぞれのアパーチャの軸が互いにずれるように、且つ、互いに平行となるように向かい合っている。筒状電極５２０は、完全な円筒から、該完全円筒の中心軸５８０から離れた距離にあって中心軸５８０に平行な仮想平面と中心軸５８０に垂直な仮想平面とで該完全円筒を４つに分割したうちの入射側の比較的小さい１つを取り除いた形状を成す。
【００２８】
また、例えば、イオン偏向レンズ１００は、図７に示すイオン偏向レンズ６００と置き換えることができる。イオン偏向レンズ６００は、プレート状電極１１０と同じ形状を成す入射側のプレート状電極６１０と、プレート状電極１３０と同じ形状を成す出射側のプレート状電極６３０と、プレート状電極６１０とプレート状電極６３０との間に配置された筒状電極６２０から構成される。プレート状電極６１０および６３０は、それぞれのアパーチャの軸が互いにずれるように、且つ、互いに平行となるように向かい合っている。筒状電極６２０は、筒状電極１２０から、該完全円筒の中心軸６８０を含む仮想平面と中心軸６８０に垂直な仮想平面とで該完全円筒を４つに分割したうちの出射側の１つを取り除いた形状を成す。入射側の切削部分は、該完全円筒の中心軸６８０を含む仮想平面に対して、主に出射側の切削部分とは異なる側に位置する。本発明のイオン偏向レンズの筒状電極は、上記以外の形状を成すこともできる。
【００２９】
また、各図において、イオンビームは、下方から上方へ偏向されているが、これに限定されない。例えば、イオンビームは、上方から下方へ偏向されても良い。この場合、少なくとも円筒電極の形状およびプレート状電極のアパーチャの位置が上下逆転する。もちろん、イオン偏向レンズの前または後にあるイオン光学系の位置も変わるであろう。このように円筒電極の形状などは、イオンビームの偏向方向に応じて適宜変更する必要があるが、その変更は当業者にとっては容易であろう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第一の実施形態である誘導結合プラズマ質量分析装置１０の構成を示す図である。
【図２】本発明の第一の実施形態における特徴部分であるイオン偏向レンズ１００の構成を示す斜視図である。
【図３】イオン偏向レンズ１００の構成を示す断面図である。
【図４】イオン偏向レンズ１００内における電位分布とイオン軌道を示す図である。
【図５】イオン偏向レンズ１００の第一の変形例であるイオン偏向レンズ４００の構成を示す断面図である。
【図６】イオン偏向レンズ１００の第二の変形例であるイオン偏向レンズ５００の構成を示す断面図である。
【図７】イオン偏向レンズ１００の第三の変形例であるイオン偏向レンズ６００の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０  誘導結合プラズマ質量分析装置
２０  プラズマトーチ
２１  コイル
３０  高周波誘導結合プラズマ
４０  インターフェース部
４１  サンプリングコーン
４２，４４，７５  アパーチャ
４３  スキマーコーン
５１，５２，５３  真空槽
５４，５５，５６  排気口
６０  引出電極部
６１  アパーチャ
７１，７４  隔壁
７２  ゲートバルブ
７３  絶縁体
８０  セル
８１  多重極電極
８２  導入口
９１  質量分離部
９２  検出器
１００，４００，５００，６００  イオン偏向レンズ
１１０，４１０，５１０，６１０  プレート状電極
１２０，４２０，５２０，６２０  筒状電極
１３０，４３０，５３０，６３０  プレート状電極
１４０，１５０  アパーチャ
１６０，１７０  軸
１８０，４８０，５８０，６８０  中心軸
ＲＰ  油回転ポンプ
ＴＭＰ１，ＴＭＰ２  ターボ分子ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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